机械弯管机设计

毕业设计机械弯管机设计学生姓名：专业班级：机械电子工程2010-1班指导教师：学院：机电工程学院2014年6月机械弯管机设计摘要数控弯管机是基于矢量弯管原理，运用微机控制，完成用户所需的任意空间立体管形，是现代弯曲整形的重要加工设备。本文主要针对弯管机这一数控装备进行嵌入式测控系统的硬件系统研究开发，以嵌入式微处理器为硬件平台，代替传统的通用计算机和工控机，对机床的加工过程进行有效控制。在此根底上加装运动控制卡PCI-1240U，通过运动控制卡实现对伺服电机驱动器的控制，从而控制伺服电机带动各轴进行准确的旋转走位操作。本文主要对该嵌入式测控系统进行硬件系统的研究开发，针对工业现场控制电路的根本要求，利用PROTEL软件绘制四个控制电机的电路原理图和现场总体电路分布结构设计图；根据设计精度要求和对元器件性价比的比拟，对包括嵌入式系统、运动控制卡、伺服电机、伺服电机驱动器、输入输出卡、编码器及传感器等元件在内的各类硬件设备的选型。本文所设计的嵌入式测控系统用于控制数控弯管机的工业现场实际运行，主要实现弯管机的送料、旋转、弯曲等功能的控制。所设计的电路及选取的硬件在工业现场调试中根本能够到达预期的效果。关键词数控弯管机、嵌入式、运动控制卡、伺服驱动器MechanicalbendingmachinedesignAbstractCNCpipebendingmachineisanimportantmoderncurvedplasticprocessingequipment,whichisbasedonthevectortheory,usingcomputercontrol,tocompleteanyspaceforthree-dimensionaltubetomeetusersrequirements.Inthispaper,itmainlyabouttheresearchanddevelopmentofhardwaresystemsonthenumericalcontrolequipmentforpipebendingmachineembeddedcontrolsystem,usingembeddedmicroprocessorhardwareplatform,insteadofthetraditionalgeneral-purposecomputersandindustrialmachines,tocontrolthemachiningprocesseffectively.Onthisbasis,installationofmotioncontrolcardPCI-1240U,realizedthroughthemotioncontrolcardservomotordrivecontrol,tocontroleachaxisservomotordriveforaccurateoperationofrotatinggears.Inthispaper,itmainlyaboutthecontrolsystemoftheembeddedhardwaresystems’researchanddevelopment,forindustrialcontrolcircuitofthebasicrequirements,usingPROTELsoftwaretodrawfourmotorcontrolcircuitschematicdiagramsandfielddistributionoftheoverallstructureofthecircuitdesign;accordingtothedesignprecisionandcomparisonofthecostoncomponents,selecttheequipmentincludingembeddedsystems,motioncontrolcards,servomotor,servomotordrive,inputandoutputcards,encoders,sensorsandvarioustypesofhardwarecomponents.Thisembeddedcontrolsystemdesignedtocontrolthepipebendingmachineforindustrialon-sitepracticaloperation,mainlyaboutfeeding,rotating,bendingandotherfunctionsofthecontrol.Thecircuitdesignandselectionofhardwaredebuggingintheindustrialfieldcanachievethedesiredresults.KeywordsCNCpipebendingmachine、embedded、MotionControlCard、servodrive目录摘要Abstract1前言11.1弯管机在自工工业中的地位和各种弯管机的性价比11.2弯管机的根本原理与选择22弯管机设计42.1工件工艺分析42.2计算弯曲力矩42.3电机选取52.4传动比的计算与各传动装置的运动与参数62.5皮带轮与皮带的计算与选择72.6涡轮蜗杆减速箱的计算与选择82.7联轴器的计算与选择82.8轴承的选择92.9轴的初步计算与设计及校核92.10齿轮的计算与设计132.11大小齿轴前后端盖及轴承座的结构设计142.12轴套的结构设计162.13盖板的结构设计及计算162.14机身的机构设计与计算172.15弯管机的主要参数183挡料架的结构设计193.1挡料架的结构设计194用电器选择与电路204.1各用电器的选择与电路设计20结论22参考文献23附录24致谢25前言弯管机在自工工业中的地位和各种弯管机的性价比现今工业兴旺，无论是哪一种机器设备、健身器材、家具等几乎都有结构钢管，有导管，用以输油、输气、输液等，而在飞机、汽车及其发动机，健身器材，家具等等占有相当重要的地位。各种管，对大，形状复杂，种类数，带来了很多的困难，在管加工。对许多小企业，家庭作坊，需要管的场合或大型企业，如压力管道工程机械，液压管路，机床厂机油，健身器材管等，这些应用程序不需要折弯机功能齐全，不高的拟合和加工难度，简单的手动式折弯机可满足要求。折弯机手动夹紧，机械弯曲模式，该机具有结构简单，控制元件少，所以更易被用户所接受的价格。现在市场上有很多种类的大型弯管机销售，但市面上现有的自动弯管机大多数是液压的、数控的(如图1-1,1-2)，因他们的大面积〔2.5~4m长〕，且价格相对昂贵的〔约20000~价格在50000元以上〕。相对很多企业不需要这样的大型和昂贵的弯管机，自动弯曲机小廉价和方便的区域可以被许多企业所接受。本设计从满足市场及使用者需求等方面出发，方案出一种价格低廉、面积较小、使用简单的自动弯管机〔长900mm，宽800mm，高1100mm，价格9000元人民币左右〕。并对进一步加强弯曲设置属性，使它能弯曲在不同直径和不同类型的钢管。同时采用制动电机以提高弯曲机的弯曲精度，大大的简化了电气控制系统，便于操作。图1-1液压弯管机图1-2数控弯管机弯管机的根本原理与选择自动式弯管机的弯管原理,在通常情形下分为如下俩种方式，即滚弯式与缠绕式。如图1-3、图1-4所示。图1-3图1-4二者各有优缺点：绕线式主要用于方形弯管结构复杂，和弯曲型主要用于弯曲管也可用于管弯曲，在弯曲管绕稍差，但相比之下弯滚式结构更加简单容易设计且本钱更低。故本弯管机采用滚弯式。以下是弯管机的工作步骤：1.留出第一段直线段长度，并用夹紧件夹紧管子。2.启动弯管机，将管材弯曲。3.夹紧块松开弯管件，拿出工艺管材，然后把模具重置。按照所需要管的标准样品在夹具上检查加工出的管形标准并校正。4.重复第1步，直至将管材弯曲到理想程度为止。弯管机设计工件工艺分析本设计选用的管材是直径30mm，厚度为2mm的钢件，钢管需是无缝的，选材为10号钢，其最小弯曲半径为60mm,整个管件的弯曲半径为100mm。10号钢力学性能如下：抗拉强度(MPa):335屈服强度(MPa):205伸长率(%):31断面收缩率(%):55硬度：未热处理，137HBs试样尺寸：试样尺寸纵向25mm加工技术。弯曲局部的要求，不得有裂纹，不能有凸起的大，不能有皱纹。其工件如图2-1,2-2所示。图2-1图2-2计算弯曲力矩管弯曲力矩的计算是在自动折弯机机械参数的根底上确定的。由于管弯曲半径小的时候，弯曲的弯曲力矩管在弯矩最小半径的钢管。依据力学的塑性理论分析，剖析出管材均匀弯折时的弯矩理论表达式为：(2-1)其中为弹性应力r为管材内径t为管材壁厚为屈服应力为中性层的弯曲半径=2420电机选取按照经验弯管器的弯管速度选择为8r/min那么有P==23462kw(2-2)因为工作功率确定为2kw所以由电机功率公式P=(2-3)、、、、分别为带传动、蜗轮蜗杆传动、联轴器、工作齿轮、轴承的传动效率。取=96%、=90%、=99%、=97%、=98%得P==2.5kw由于满足弯曲各种钢筋的弯曲类型，因此选用的电动机功率较大，这样弯曲机可以弯曲更大范围的弯曲半径，电机设有制动功能是因为折弯机需要内在的制动功能，且电机转速不宜过大是因为电机正反的频率过大。因此，电机的速度是960r／min到达上述要求，yep132s-6电机类型选择，电机的根本性能如表[2]2-1表2-1yep132-6主要性能参数型号功率满载时堵转转矩最大转达矩静制动转达矩不小于空载制动时间不大于噪声转速电流效率功率因数YEP132S-63kw960r/min8.8A77%0.672.22.229．4N·m0．4/s71/db电机的主要安装尺寸如下图2-2表2-2电机的安装尺寸单位〔mm〕模型ABCDEFGHILYEP-132S-6280140893880315216132210515传动比的计算与各传动装置的运动与参数由与转速为N1=960r/min，并且之前机器的速率初步确定为N5=8r/min所以总传动比=N1/N5=120由皮带轮的传动比为1～4可以将皮带轮的传动比确定为=2.5，由于齿轮齿数的传动比为1～8。便拟定取齿轮传动比=3,那么蜗轮蜗杆的传动比=16,蜗轮的传动比不大这有利于提高蜗轮的寿命。方便的计算传动局部的设计，需要计算转速和转矩的轴〔或功率〕。该传动装置由高到低顺序各轴，1轴，2轴以及,,…为相邻两轴间的传动比；，…为相邻两轴间的传动效率；P1，P2…为各轴的输入功率〔kw〕；T1，T2…对于每个轴输入扭矩〔N·米〕；N1,N2…为各轴的转速〔r/min〕；各轴转速电机轴的转速为960转/分钟蜗轮的小轴局部N1===384r/min蜗轮的大轴局部N2===24r/minN3=N2=24转/分钟速度的小齿轮N4===8转/分钟速度的大齿轮工作台N5=N4=8转/分钟的速度各轴的输入功率电机的输出功率P0=3kw蜗轮小轴的输入功率P1=P0=3=30.96=2.88kw蜗轮大轴的输入功率P2=P1=P1=2.880.9=2.59kw齿轮小轴的输入功率P3=P2=P2=2.590.99=2.56kw齿轮大轴的输入功率P4=P3=P3=2.560.972=2.41kw输入功率=P4=P4=2.410.9720.98=2.22kw各轴输入转矩电机的输出转矩=9550=9500=29.84N·m蜗轮小轴的扭矩输出==29.842.50.96=71.62N·m蜗轮大轴的输出转矩==71.62160.9=1031.27N·m齿轮小轴输出转矩==1031.270.99=1020.96N·m齿轮大轴的扭矩输出==1020.9630.972=2881.86N·m输出转矩==2881.860.9720.98=2657.31N·m皮带轮与皮带的计算与选择电机的转速与功率是一定值，故可以采用A型普通皮带作为传动带。由A型带的小带轮最小直径为70mm为，故确定小带轮的直径为为=100mm。皮带速度验算=5.03〔2-4〕所以5<<=20所以此带轮合格那么从动轮==1002.5=250mm初选=1600mm那么有a=A+〔2-5〕其中A==262.63(2-6)B===2812.5〔2-7〕所以a=262.63+=519.6mm主动轮包角=(2-8)=>带的根数z=(2-9)其中取=00.97kw=0.11kw=0.96=0.99可得z==2.92取z=3涡轮蜗杆减速箱的计算与选择我们需要将蜗杆安装在涡轮的侧面所以要选用CWS型的蜗轮蜗杆减速器，又由于蜗轮大轴的输入转矩为N·m蜗轮小轴的输入功率为P1=2.88kw传动比为=16所以选用的蜗轮蜗杆型号为[6]CWS-125JB/T7935其根本性能如表2-3表2-3蜗轮减速器的主要参数型号公称传动比转速中心距额定输入功率额定输出转矩CWS-12516750r/min125mm7.781kw1400N·m联轴器的计算与选择由于这种耦合需要承受较大的扭矩，且需要考虑到本钱和轴向孔径配合的关系。弹性柱销齿式联轴器具有结构简单，易于制造的优点，不需要特殊的加工设备，工作无需润滑，维修方便，易损件的快速更换，本钱低，满足上述要求，因此弹性柱销齿式联轴器是不二选择。由于=1020.96N·m且蜗轮轴径大小为55mm所以选用联轴器的型号为ZL4，其型号为GB5015—1985其主要尺寸及参数如表2-4表2-4联轴器的主要参数型号许用转矩N·m许用转速r/min轴孔直径〔mm〕轴孔长度(mm)外径(mm)凸圆厚度(mm)转动惯量(kg·m2)重量(Kg)ZL41600400040,45,50,5511284158890.04614.8轴承的选择由于弯管机的轴承同时受有径向力和轴向力的作用而且在运行过程中需要一个平稳的平台，所以无法选用深沟滚子轴承。因为轴承转速较低应力很小，所以圆锥滚子轴承的选择时，可以选择较小的轴承外径的折弯机更加紧凑和低本钱。本设计选用32912和32918这俩种型号的圆锥滚子轴承。其主要参数及根本尺寸如表2-5表2-5轴承的主要参数未注的单位为〔mm〕型号小径外径厚度内圈厚度外圈厚度额定载荷极限转速重量32912608517161434.5KN4000r/min0.24kg329189012523221977.8KN3200r/min0.79kg轴的初步计算与设计及校核初步计算轴径使用45钢作为轴的材料并进行调质处理。(2-10)P为轴所传递的功率，kw为轴的转速，r/minA的系数范围为A=103～126，其值是由轴的剪切应力来确定的现在取A=115那么=54.54mm取=55mm那么=77.09mm取=85mm需要一个轴肩来满足轴向定位半联轴器和联轴器之间的要求，由于轴段长度相比半联轴器长度略小，且半联轴器的连接长度为L=84mm故取轴段L1为82mm，半联轴器与轴径直径取值均为d1=55mm。轴肩的后头是齿轮部份，因为轴承的存在所以选取d2为60毫米，轴承端部底盖的总厚度取值设定为42毫米，此值是由箱体及轴承端盖的结构设定而确定。因为安装简单方便的需求加上轴承需要添加润滑脂，所以预留联轴器左面与端盖的外端面之间的距离为L2=10mm，因为轴承必须用轴承座来进行支撑，所以可取轴承底座的壁厚为25mm，根据需要设定齿轮与轴承座之间需要空出15毫米间隙，齿轮的厚度是175mm，在齿轮的左端也需要制出一个轴肩来满足设计需求，由上文设定齿轮与轴承座之间的距离为15mm且轴承与轴承座之间的间距相差8mm，由此轴肩可设计为23毫米，由于轴承的宽度为17mm那么轴肩到轴承左边必须比轴承的宽度多出一些，故取值18mm且其半径为30mm。到这里已经初步确定了轴的根本设计尺寸。利用平键的功能对斜齿轮、半径联轴器与轴进行设计选用来确定周向定位。查找材料取得键的截面为bh=1811使用键槽刀对键槽进行加工，其长度为160mm，同时为了确保结合优秀对中性的齿轮与轴，所以选择组合为H7/n6的轮毂与轴；同样地，平键连接轴与半联轴器尺寸应为16mm10mm70mm，半联轴器的配合为H7/k6。滚动轴承与轴的周向定位是借过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为n6。取轴端倒角为2450。轴上载荷的计算与轴的校核=1020.96Nm===4861N(2-11)=1794N(2-12)=830.9N(2-13)通过设计结构尺寸轴和安装条件需要满足，考虑轴承寿命，设计支承跨距为a=221毫米的支撑梁的轴，轴和轴的弯矩图中可以看到的危险截面结构C局部。计算出的C局部，、、的数值如表2-6所示表2-6载荷水平面H垂直面V支反力F=2430.5N=2430.5N=1005.7N=794N弯矩M=268570N/mm=111129N/mm=87734N/mm总弯矩=290653N/mm=282536N/mm扭矩T=1020960N/mm轴的弯矩图:图2-4校正核查的时候只检查轴所承受的强度以来能承受的最强弯矩和扭矩截面〔即高危截面C〕的强度。那么由公式===31.39Mpa(2-14)之前已选用的材料为45钢，进行淬火及回火处理，可得=60Mpa因此<，所以平安可靠故小轴的结构尺寸如图2-5图2-5由于轴的大、小轴的大局部结构设计与计算同理。因此，类似的计算略，且由经验说明，此轴是一个平安的轴。由于轴与弯曲模直接连接，并不是与半联轴器相连。由于轴的转矩较大且要求工作台需平稳以减小误差，因此采用矩形花键来连接轴与弯曲模。由静联接有(2-15)对矩形花键进行验算。不均的载荷分布系数与齿轮齿数有关，一般取=0.7～0.8，被设计取=0.8花键的齿数=8花键齿侧面工作高度=(2-16)==3mm齿的工作长度=80mm花键平均直径=(2-17)==60mm故有==56.77Mpa<=100～140Mpa(2-18)故此矩形花键平安此外，螺纹孔轴钻孔弯曲模固定在轴上，加工螺纹孔的M12-30毫米深，主要设计尺寸和结构如图2-6所示图2-6齿轮的计算与设计由于齿轮传动只有一对，为利于机器的平稳，寿命及制造方便，应选用直齿齿轮传动。本机是一般的工作机工作速度低可使用7级的精密锻造生产。小齿轮的原料选取40Cr〔调质热处理〕，坚硬程度到达280HBS，大齿轮的原料选取45号钢〔调质热处理〕坚硬程度到达240HBS，俩种材料的坚硬程度差为40HBS按齿面接角强度设计(2-19)式中取载荷系数为=1.3取小齿轮所传递的转矩为=1020.96N·m取齿宽的系数为==1查资料知弹性影响系数为=189.8MPa接触疲劳强度极限〔大齿轮〕=550Mpa接触疲劳强度极限〔小齿轮〕=600Mpa各取值代入公式那么得13.9mm由于齿轮小直径为55mm而为了到达2故取=14.0mm所以齿轮中心矩==280mm(2-20)初步定=280一般=1730，=80150初选=23，=100，那么=，=69那么m===5.99(2-21)取m=6那么===91.9(2-22)取=92那么按=可得=23，=69那么==(2-23)那么小齿轮==140.00mm大齿轮==420.00mm那么齿厚==1.2140=168mm取大齿轮厚=170mm那么小齿轮厚取=175mm验算齿轮,由==103=14571N(2-24)=83.26N/mm<100N/mm适宜(2-25)大齿轮与小齿轮的结构及尺寸如图2-7，图2-8所示图2-7大齿轮图2-8小齿轮大小齿轴前后端盖及轴承座的结构设计轴主要是由钢板进行支撑，为经济性考虑钢板不能选用太厚，45号钢是常用中碳调质结构钢。45号钢的冷塑性还行，热处理后力学性能较好，具备一定的强度和良好的切削加工性，材料的获得很容易，考虑综合条件，所以选用45号钢。但是轴承的厚度又相对厚一些应选择安装轴承底座并用螺钉紧固于钢板从而来支撑轴和轴承，这样做可以大大降低设计本钱，且结构相对简单也更便于安装与维修。由于前后紧固轴力不大，可采用M10型号的内六角螺钉4根来紧固轴的前后端盖及轴承座，足够支撑。它的的结构及尺寸图2-9，2-10，2-11，2-12，2-13，2-14图2-9大轴前端盖图2-10大轴后端盖图2-11大轴承座图2-12小轴承座图2-13小轴后端盖图2-14小轴前端盖轴套的结构设计轴套的厚度s可在0.5d～2.0d之间进行选择小轴的直径为60mm小轴厚度为6mm大轴的直径为90mm大轴厚度为8mm套管材料是45钢，为了轴与轴承之间，更好，更耐用的配合，故把轴套材料进行调质处理，如图2-15和图2-16所示轴套的尺寸结构图2-15大轴轴套图2-16小轴轴套盖板的结构设计及计算由于对盖板上的装置的行程需要，齿轮齿条，齿轮轴端盖的开关尺寸和一个定位孔和大量的部件的装置。故盖板选择厚度为20mm的45号钢。电机的空间位置和涡轮蜗杆占据的位置是盖板长度选取的重要条件，由于电机中心与蜗轮蜗杆中心的距离a=519.6mm大飞轮的分度圆直径为d2=250mm电机的安装地脚宽为L1=280mm取壁至电机脚的空间长度L0=90mm取壁到大飞轮的空间长度L2=110mm壁厚取b1=10mm又因盖板要比壁凸出以便于与壁配合b0=10mm故盖板长度L=2b0+2b1+L2+L0+L1/2+d2/2+a=1024.6mm取L=1025mm大齿轮和电机罩板及其相互空间位置决定盖板的宽厚齿轮与机箱壁的距离B1=100mm齿轮到机箱壁另一端的距离B2=160同大齿轮的d5=420mm那么B=B1+B2+d5=100+160+420=680mm那么得知盖板的尺寸为BLh=680102520(mm)根据其它的结构需要，其结构及尺寸如图2-16图2-16机身的机构设计与计算由于机身需要支撑整套机器，所以将机身由厚钢板和钢管焊接组成。而且选用地脚螺钉来固定机器以缩小机械的波动以到达机械技能平缓的要求。脚板采用45号钢厚10毫米，尺寸为BLh=8012010〔毫米〕用四脚来支撑机器。支撑钢管采用20号方管钢。根本尺寸为60604地脚高度取h1=80毫米支持电机与蜗轮蜗杆减速箱的底座采用45号厚为20毫米的钢板。为加强机身支撑强度在底板两侧多加二个钢板。侧板的尺寸BLh=48754020(毫米)。齿轮箱体盖板与板之间的两侧，用45钢和钢板厚度为20毫米焊接钢管相焊接。为了使其更容易组装和拆卸方便之间的阀体和阀盖，齿轮箱部件易于操作和维修，使盖板和机身的螺纹连接。采用四个螺钉连接。再将一块45号厚为20毫米的小钢件焊接到方管上，尺寸为BLh=808020(毫米)。机身的根本尺寸及其结构如图2-17图2-17弯管机的主要参数电源：380V～50Hz三相交流电电机功率：3kw外形尺寸：BLH=68010251060最大弯曲力矩：2657N·m弯曲半径范围：R80～R300最大弯曲角度：2000弯曲速度：8r/min整机重量：大约M=300kg此说明书不完整欲购置全部说明书及其全套图纸请加QQ1097201253参考文献高锦张，陈文琳，贾俐俐.塑性成形工艺与模具设计.北京机械工业出版社1998.唐长平.数控弯管机的研发与开发.合肥工业大学硕士学位论文1991.机电工程手册编委会.机械工程手册.1982JB2671-82附录B陶冶.材料成形技术根底.北京机械工业出版社2002郑文纬，吴克坚.机械原理〔第七版〕.北京高等教育出版社2001濮良贵，纪明刚.机械设计〔第七版〕.北京高等教育出版社AUTOcad2007，AUTOcad2008.潘为民、段明德、李济顺、雷贤卿，三位数字化设计技术在新型弯管机传动系统中的应用研究，机床与液压.2006张智明、陈小兰、梅顺齐，自动弯管机伺服回原点方法的研究，现代制造工程.2006下文红、左继承，PLC在液压驱动立体弯管机中的应用，液压与气动.潘昌平.管材弯曲回弹及弯管机控制系统的研究[M].吉林大学.2008Swanson.InventorMelvinE.Swanson,Hayesville,N.C.May3,1989S.Mylvaganam,H.Waerstad,L.Cortvriendt,Fromsensortowebu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